Hướng Dẫn Chọn Bộ Điều Chỉnh Điện Áp Tuyến Tính

Hướng dẫn chọn IC ổn áp tuyến tính

Hướng dẫn chọn IC ổn áp tuyến tính là tài liệu tham khảo quyết định mà các kỹ sư và nhà mua hàng sử dụng khi bo mạch cần một đường ray điện áp ổn định, đơn giản và lựa chọn nằm giữa các dòng bộ điều chỉnh. IC ổn áp tuyến tính là một linh kiện điện tử tạo ra điện áp đầu ra cố định hoặc có thể điều chỉnh bằng cách tiêu tán sự chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra thành nhiệt, và tính đơn giản, độ nhiễu thấp cùng chi phí thấp khiến nó trở thành lựa chọn mặc định cho phần lớn các đường ray nguồn trên mọi bo mạch. Quyết định lựa chọn hiếm khi chỉ dựa trên bộ điều chỉnh tuyến tính, bởi vì nhà thiết kế cũng cân nhắc bộ điều chỉnh rơi thấp, LDO, và bộ điều chỉnh chuyển mạch, và lựa chọn giữa ba loại này là quyết định đầu tiên và có ảnh hưởng nhất trong thiết kế đường ray. Hướng dẫn này giải thích cách IC ổn áp tuyến tính hoạt động, cách so sánh chúng với LDO và bộ điều chỉnh chuyển mạch, cách đọc các thông số kỹ thuật, điện áp, dòng điện, điện áp rơi, dòng điện tĩnh, và nhiệt, cách chọn vỏ và dòng sản phẩm, và khi nào bộ điều chỉnh chuyển mạch là lựa chọn tốt hơn, để đường ray điện áp được chọn dựa trên dữ liệu thay vì thói quen.

Lý do hướng dẫn lựa chọn quan trọng là vì điểm yếu của IC ổn áp tuyến tính, hiệu suất của nó, cũng là nguồn gốc của các điểm mạnh, và nhà thiết kế phải cân bằng sự đánh đổi đó với ứng dụng. IC ổn áp tuyến tính chuyển đổi điện áp đầu vào thừa thành nhiệt, vì vậy hiệu suất giảm khi khoảng cách rơi tăng lên, và thiết kế nhiệt trở thành giới hạn của dòng điện mà nó có thể cung cấp. Nhưng chính sự đơn giản đó mang lại đầu ra sạch nhất, độ nhiễu thấp nhất, đáp ứng nhanh nhất, và chi phí thấp nhất, đó là lý do IC ổn áp tuyến tính vẫn chiếm ưu thế trong các đường ray dòng thấp và nhạy cảm với nhiễu. Việc lựa chọn là một bài toán khớp: dòng điện và điện áp rơi quyết định nhiệt, nhiệt quyết định vỏ, và ứng dụng quyết định liệu nhiệt có được chấp nhận hay không. Hướng dẫn này đi qua bài toán khớp đó từ đầu đến cuối, để đường ray tiếp theo trên bo mạch được chọn bởi các con số, dòng sản phẩm, vỏ, và ngân sách nhiệt, thay vì bởi linh kiện tình cờ có trong ngăn kéo.

Cách IC ổn áp tuyến tính hoạt động

IC ổn áp tuyến tính tạo ra điện áp đầu ra ổn định bằng cách cho dòng điện đầu vào đi qua transistor thông qua và tiêu tán sự chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra thành nhiệt, và hiểu một thực tế đó giải thích mọi sự đánh đổi trong lựa chọn trong hướng dẫn này. Bộ điều chỉnh cảm biến đầu ra, so sánh với tham chiếu nội bộ, và điều chỉnh độ dẫn của transistor thông qua để giữ đầu ra ở điện áp đặt, và dòng điện chảy qua phần tử thông qua là cùng dòng điện mà tải tiêu thụ, vì vậy công suất tiêu tán trong bộ điều chỉnh là hiệu số điện áp đầu vào và đầu ra nhân với dòng tải. Do đó hiệu suất xấp xỉ bằng điện áp đầu ra chia cho điện áp đầu vào, và nó giảm khi sự chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra tăng lên. Công suất tiêu tán xuất hiện dưới dạng nhiệt trong vỏ, và vỏ cùng bo mạch phải tản nhiệt đi nếu không nhiệt độ tiếp giáp của bộ điều chỉnh sẽ vượt quá định mức. Sự đơn giản của IC ổn áp tuyến tính, một phần tử thông qua và vòng điều khiển, mang lại độ nhiễu thấp, chi phí thấp, và đáp ứng nhanh mà bộ điều chỉnh chuyển mạch phức tạp hơn không thể sánh được, và nhiệt là cái giá của sự đơn giản đó.

Kiến trúc nội bộ cũng giải thích hai dòng bao quanh IC ổn áp tuyến tính: bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu chuẩn và bộ điều chỉnh rơi thấp. Bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu chuẩn, dòng 78xx là kiểu mẫu, sử dụng sắp xếp transistor thông qua đòi hỏi một hiệu số điện áp đầu vào-đầu ra tối thiểu, điện áp rơi, xấp xỉ 2V đối với các linh kiện truyền thống, vì vậy IC 7805 5V cần khoảng 7V đầu vào để điều chỉnh ổn định. LDO, bộ điều chỉnh rơi thấp như AMS1117 và LM1117, sử dụng sắp xếp phần tử thông qua khác giảm sự chênh lệch tối thiểu xuống còn một vài trăm millivolt, vì vậy LDO 3.3V có thể điều chỉnh từ đầu vào 3.6V hoặc 5V với tổn thất nhỏ. Điện áp rơi là thông số phân biệt các dòng, và nó là con số đầu tiên cần đọc khi lựa chọn, bởi vì nó quyết định điện áp đầu vào tối thiểu mà đường ray có thể chịu được và nhiệt mà đường ray sẽ tạo ra. Ba dòng, tuyến tính, LDO, và chuyển mạch, là bản đồ của việc lựa chọn, và điện áp rơi là ranh giới giữa hai dòng đầu tiên.

Điện áp rơi có ý nghĩa gì khi chọn bộ điều chỉnh

Điện áp rơi là sự chênh lệch nhỏ nhất giữa đầu vào và đầu ra mà tại đó bộ điều chỉnh vẫn giữ đầu ra theo thông số kỹ thuật, và đó là con số quyết định độ dự trữ mà đường ray cần. Bộ điều chỉnh tuyến tính truyền thống có điện áp rơi 2V cần đầu vào cao hơn đầu ra ít nhất 2V mọi lúc, bao gồm cả khi đầu vào gợn sóng và tải đột biến, vì vậy đường ray 5V cần đầu vào được giữ trên khoảng 7V. LDO có điện áp rơi 0.3V có thể điều chỉnh đầu ra 3.3V từ đầu vào 3.6V, đó là lý do LDO là linh kiện được chọn cho các đường ray pin và các đường ray chạy gần đầu vào. Điện áp rơi cũng ảnh hưởng đến nhiệt, bởi vì điện áp rơi là mức tổn thất tối thiểu và sự chênh lệch thực tế đầu vào-đầu ra là mức tổn thất thực, và đường ray có điện áp rơi 2V chạy từ đầu vào 12V lãng phí nhiều hơn mức tối thiểu rất nhiều. Lựa chọn đọc điện áp rơi dựa trên nguồn đầu vào, pin, bộ chuyển đổi, đường ray trước đó, và tải đột biến, và chọn dòng có điện áp rơi phù hợp với độ dự trữ và nhiệt mà đường ray có thể chịu được.

Bộ điều chỉnh tuyến tính vs LDO vs Bộ điều chỉnh xung

Việc lựa chọn giữa bộ điều chỉnh tuyến tính, LDO và bộ điều chỉnh xung là quyết định cốt lõi của đường ray, và ba họ này phản ánh các ưu tiên của ứng dụng. Bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu chuẩn chiến thắng về sự đơn giản, chi phí và nhiễu, và đó là lựa chọn cho các đường ray dòng nhỏ và các đường ray có độ chênh lệch đầu vào-đầu ra nhỏ, vì nhiệt có thể kiểm soát được và mạch chỉ gồm một linh kiện và hai tụ điện. LDO chiến thắng về headroom thấp và điện áp rơi thấp, và đó là lựa chọn cho các đường ray chạy gần đầu vào của chúng, các đường ray pin và các đường ray được tạo ra từ đường ray cao hơn với biên độ nhỏ, nơi bộ điều chỉnh xung là quá mức cần thiết và bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu chuẩn không thể phù hợp. Bộ điều chỉnh xung chiến thắng về hiệu suất, và đó là lựa chọn cho các đường ray có sự chênh lệch lớn giữa đầu vào và đầu ra hoặc dòng cao, nơi bộ điều chỉnh tuyến tính và LDO sẽ tản nhiệt mà không có gói nào và không có bảng mạch nào có thể loại bỏ được. Lựa chọn là một tam giác của nhiễu, sự đơn giản và hiệu suất, và ứng dụng đặt đường ray tại đỉnh mà nó có thể chi trả được.

Việc so sánh này được hiểu tốt nhất như một bảng của ba họ dọc theo các khía cạnh quan trọng. Hiệu suất của bộ điều chỉnh tuyến tính và LDO là đầu ra chia cho đầu vào, và nó giảm khi chênh lệch lớn, trong khi hiệu suất của bộ điều chỉnh xung duy trì ở mức 80 đến 95 phần trăm trên toàn bộ phạm vi. Nhiễu đầu ra của bộ điều chỉnh tuyến tính và LDO thấp, microvolt của gợn sóng, trong khi bộ điều chỉnh xung thêm gợn sóng chuyển mạch và EMI. Chi phí và sự đơn giản ủng hộ bộ điều chỉnh tuyến tính và LDO, một linh kiện và hai tụ, so với cuộn cảm, diode, phản hồi và chăm sóc bố trí của bộ điều chỉnh xung. Phản hồi ủng hộ bộ điều chỉnh tuyến tính, có vòng điều khiển nhanh, so với vòng điều khiển chậm hơn của bộ điều chỉnh xung. Lựa chọn theo các con số: đường ray dòng nhỏ và chênh lệch thấp chọn bộ điều chỉnh tuyến tính hoặc LDO, và đường ray dòng cao hoặc chênh lệch lớn chọn bộ điều chỉnh xung, và các phần còn lại của hướng dẫn đọc các thông số kỹ thuật làm cho lựa chọn trở nên chính xác.

Khía cạnh	Bộ điều chỉnh tuyến tính	Bộ điều chỉnh LDO	Bộ điều chỉnh xung
Hiệu suất	Đầu ra/đầu vào, giảm khi chênh lệch lớn	Đầu ra/đầu vào, tốt nhất ở chênh lệch thấp	80–95%, duy trì trên toàn phạm vi
Nhiễu đầu ra	Thấp, không có gợn sóng chuyển mạch	Thấp, không có gợn sóng chuyển mạch	Gợn sóng chuyển mạch và EMI
Chi phí và linh kiện	Một linh kiện, hai tụ điện	Một linh kiện, hai tụ điện	Cuộn cảm, diode, phản hồi, bố trí
Điện áp rơi cần thiết	~2 V cho 78xx cổ điển	~0.1–0.6 V	N/A, kiến trúc boost/buck
Sử dụng tốt nhất	Dòng nhỏ, chênh lệch nhỏ, nhạy cảm nhiễu	Headroom thấp, đường ray pin	Dòng cao, chênh lệch đầu vào-đầu ra lớn

Các Thông Số Kỹ Thuật Chính Khi Chọn IC Ổn Áp Tuyến Tính

Việc lựa chọn IC ổn áp tuyến tính dựa trên một tập hợp các thông số kỹ thuật, mỗi thông số quyết định một phần của thiết kế, và việc nắm vững chúng giúp tránh được những sai sót mà các thông số về điện áp và dòng điện đầu ra chính không thể hiện. Điện áp đầu ra là thông số đầu tiên và đơn giản nhất, cố định đối với 78xx và các biến thể AMS1117 hoặc có thể điều chỉnh đối với LM317 và các LDO có thể điều chỉnh, và nó phải khớp với mức mục tiêu của rail trong phạm vi dung sai mà tải cho phép. Dòng điện đầu ra tiếp theo phải bao phủ trường hợp xấu nhất của tải cộng thêm dự phòng cho các xung và nạp tụ, bởi vì một bộ ổn áp chạy ở giới hạn dòng sẽ sụp đổ khi có xung. Điện áp dropout, được đọc như một thông số kỹ thuật, quyết định đầu vào tối thiểu và nhiệt, như phần trước đã mô tả. Dòng tĩnh (quiescent current) là dòng mà bộ ổn áp tiêu thụ để tự vận hành, và nó quan trọng đối với các rail pin nơi mỗi microamp đều quan trọng và đối với các rail luôn hoạt động. Điều chỉnh đường dây và điều chỉnh tải cho biết mức độ ổn định của đầu ra khi đầu vào và tải thay đổi, và hệ số nhiệt độ cho biết sự trôi dạt của đầu ra trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Các thông số kỹ thuật là câu trả lời của datasheet cho các yêu cầu của rail, và việc lựa chọn đọc từng thông số đối chiếu với thiết kế.

Việc lựa chọn cũng đọc các thông số định mức quyết định khả năng tồn tại của linh kiện, và chúng xứng đáng được quan tâm riêng. Điện áp đầu vào tối đa tuyệt đối quyết định các điều kiện surge và ngược mà bộ ổn áp phải chịu đựng được, và đầu vào phải được bảo vệ bằng các tụ điện và diode bảo vệ theo yêu cầu của datasheet. Thông số nhiệt độ junction và điện trở nhiệt quyết định nhiệt mà package có thể chuyển đi, và nhiệt độ junction bằng nhiệt độ môi trường cộng với công suất tiêu tán nhân với điện trở nhiệt, một con số phải ở dưới mức định mức. Bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ nhiệt quyết định hành vi khi có lỗi, sự foldback và shutdown mà các bộ ổn áp cổ điển cung cấp, và hành vi giới hạn dòng mà thiết kế nên chịu được. Điện trở nhiệt của package, các giá trị junction-to-ambient và junction-to-case, quyết định tản nhiệt và đồng board mà thiết kế cần. Các thông số định mức là lớp của quá trình lựa chọn mà các con số chính ẩn giấu, và kỹ sư đọc chúng sẽ chọn linh kiện tồn tại được, không chỉ là linh kiện ổn áp được.

Cách Đọc Thông Số Nhiệt Của IC Ổn Áp Tuyến Tính

Đọc thông số nhiệt là phép tính quyết định xem IC ổn áp tuyến tính có khả thi ở dòng điện mà thiết kế cần hay không. Tính công suất tiêu tán, hiệu giữa đầu vào và đầu ra nhân với dòng đầu ra, cộng thêm công suất tĩnh, rồi tính nhiệt độ junction, nhiệt độ môi trường cộng với công suất tiêu tán nhân với điện trở nhiệt junction-to-ambient. So sánh nhiệt độ junction với mức định mức junction tối đa của linh kiện, và khi nó vượt quá mức định mức, các lựa chọn là dòng thấp hơn, package lớn hơn, tản nhiệt, đồng board nhiều hơn, nhiệt độ môi trường thấp hơn, hoặc bộ ổn áp switching. Điện trở nhiệt junction-to-ambient là khả năng của package trong việc tản nhiệt vào không khí tĩnh, và điện trở nhiệt junction-to-case cộng với điện trở nhiệt case-to-heatsink mô hình hóa đường dẫn tản nhiệt cho TO-220 và các package công suất. Phép tính nhiệt là cổng của quá trình lựa chọn, và đó là lý do các rail có dòng cao và chênh lệch lớn rời khỏi họ tuyến tính sang họ switching, bởi vì không package nào có thể tản được công suất watt đó. Việc đọc nhiệt là kỷ luật biến việc lựa chọn bộ ổn áp từ một lựa chọn về điện áp và dòng điện thành một thiết kế nhiệt.

Chọn lọc theo điện áp, dòng điện và dropout

Việc chọn lọc theo điện áp, dòng điện và dropout là cốt lõi thực tiễn của phương pháp, và nó được thực hiện theo một trình tự rõ ràng. Đầu tiên, đặt điện áp đầu ra — giá trị cố định cho các phần cố định hoặc mạng điện trở cho các phần có thể điều chỉnh — và xác nhận dung sai so với tải. Thứ hai, đặt dòng điện đầu ra — tải trong trường hợp xấu nhất cộng với dự phòng — và xác nhận xếp hạng của linh kiện cùng khả năng chịu nhiệt của nó ở dòng điện đó và chênh lệch đầu vào-đầu ra. Thứ ba, đặt dropout — đầu vào tối thiểu mà rail phải chịu được, cell thấp của pin, độ sụt của adapter và dung sai của rail trước đó — và chọn dòng linh kiện có dropout phù hợp, linear thường cho dự phòng dồi dào và LDO cho dự phòng chặt chẽ. Ba thiết lập này thu hẹp phạm vi về dòng và xếp hạng, và các thông số còn lại — nhiễu, dòng tĩnh và bảo vệ — quyết định linh kiện cụ thể. Thứ tự chọn lọc là bộ khung của phương pháp, và phần còn lại của thông số kỹ thuật được treo trên nó.

Việc chọn lọc cũng xem xét các yêu cầu đặc biệt của ứng dụng, bởi vì điện áp và dòng điện không nắm bắt được mọi rail. Rail cho mạch analog đầu vào đọc nhiễu và PSRR, rail cho module không dây đọc gợn sóng và đáp ứng quá độ, rail cho bộ nhớ hoặc logic đọc dung sai và trình tự, và rail cho pin đọc dòng tĩnh và dropout ở cell thấp. Các yêu cầu ứng dụng là yếu tố phân định thắng thua chọn giữa các linh kiện đã vượt qua bộ lọc điện áp và dòng điện, và đó là lý do hai thiết kế có cùng rail 3.3V có thể hợp lý chọn các linh kiện khác nhau. Do đó, phương pháp chọn lọc là một phễu — điện áp, dòng điện và dropout thu hẹp phạm vi — và các yêu cầu đặc biệt của ứng dụng chọn người thắng cuộc, và phễu là kỷ luật giữ cho việc chọn lọc bám vào thiết kế thay vì thói quen.

Cách chọn ổn áp tuyến tính cố định so với có thể điều chỉnh

Lựa chọn cố định so với có thể điều chỉnh là một quyết định nhỏ với quy tắc rõ ràng. Chọn ổn áp cố định khi rail là điện áp tiêu chuẩn — 5V, 3.3V, 2.5V và tương tự — và thiết kế cần ít linh kiện nhất và khởi động chặt chẽ nhất, bởi vì linh kiện cố định là một thành phần và tham chiếu nội bộ cùng bộ chia của nó được trim tại nhà máy. Chọn ổn áp có thể điều chỉnh — LM317 và các LDO có thể điều chỉnh — khi rail là điện áp không tiêu chuẩn, khi thiết kế cần một giá trị mà danh mục cố định không cung cấp, hoặc khi cùng một linh kiện phải phục vụ nhiều rail trên board bằng cách thay đổi điện trở, bởi vì linh kiện có thể điều chỉnh biến một thiết bị thành một họ đầu ra. Linh kiện có thể điều chỉnh mang theo chi phí của bộ chia điện trở bên ngoài và dung sai của nó, thêm vào dung sai đầu ra, và mang theo rủi ro của sự trôi dạt điện trở và nhiễu layout trên chân điều chỉnh. Quy tắc là ưu tiên linh kiện cố định cho các rail tiêu chuẩn và linh kiện có thể điều chỉnh cho các rail không tiêu chuẩn và dùng chung, và lựa chọn này là chi tiết nhỏ của việc chọn lọc mà yêu cầu điện áp quyết định.

Thiết kế nhiệt và lựa chọn Package

Việc lựa chọn package chính là thiết kế nhiệt được hiện thực hóa, và đây là một nửa của quá trình lựa chọn mà hầu hết các lỗi quay lại đều liên quan. Trở kháng nhiệt của package, giá trị junction-to-ambient và junction-to-case, quyết định lượng nhiệt mà linh kiện có thể tản đi, và lựa chọn package phụ thuộc vào công suất tiêu tán: các package nhỏ SOT-23 và SOT-89 dùng cho các rail công suất milliwatt, SOT-223 và SO-8 và DPAK cho dải watt, và TO-220 cùng các package công suất lớn hơn cho những watt cần tản nhiệt. Board là tản nhiệt thứ hai, và vùng đồng cùng các via dưới thermal pad mang nhiệt đi, vì vậy bố trí thermal pad là một phần của thiết kế nhiệt. Nhiệt độ môi trường và vỏ hộp hoàn thiện bức tranh toàn cảnh, bởi vì nhiệt độ junction là nhiệt độ môi trường cộng với watt nhân với trở kháng, và vỏ hộp giữ nhiệt làm tăng nhiệt độ môi trường mà junction nhìn thấy. Package và board và vỏ hộp tạo thành hệ thống nhiệt, và việc lựa chọn định cỡ hệ thống theo công suất tiêu tán mà rail yêu cầu.

Thiết kế nhiệt cũng đọc chu kỳ làm việc của tải và trường hợp xấu nhất, bởi vì nhiệt đi theo dòng điện và dòng điện đi theo ứng dụng. Một rail chạy liên tục ở dòng điện tối đa cần phân tích nhiệt đầy đủ, và một rail chạy ở dòng tối đa trong thời gian ngắn rồi nghỉ được phục vụ bởi công suất trung bình và hằng số thời gian nhiệt của board. Trường hợp xấu nhất, điện áp đầu vào tối đa, tải tối đa và nhiệt độ môi trường tối đa, là điều kiện mà thiết kế nhiệt phải chịu đựng được, và việc lựa chọn sử dụng trường hợp xấu nhất thay vì điều kiện thông thường. Thiết kế nhiệt là cánh cổng mà họ linear tôn trọng, và rail có watt vượt quá khả năng tản nhiệt của package là rail thuộc về họ switching, bất kể tiếng ồn và sự đơn giản gợi ý điều gì. Phép đọc nhiệt là thẩm phán trung thực của lựa chọn, và đó là lý do tại sao phần so sánh trước đó của hướng dẫn đã để các rail công suất cao cho bộ điều chỉnh switching.

Cách chọn package bộ điều chỉnh cho công suất mà rail cần

Chọn package cho công suất mà rail cần là một phép tính và một bản đồ. Tính công suất tiêu tán ở trường hợp xấu nhất, và đọc trở kháng nhiệt của package so với nhiệt độ môi trường để tìm nhiệt độ junction, sau đó khớp công suất với khả năng tản nhiệt của package. Đối với các rail dưới watt, SOT-23 và SOT-89 tản milliwatt với đồng trên board. Đối với các rail một đến hai watt, SOT-223 và SO-8 và DPAK mang watts với đồng board rộng rãi và các via nhiệt. Đối với công suất cao hơn, TO-220 và DPAK với tản nhiệt hoặc vùng đồng lớn là câu trả lời, và trở kháng nhiệt từ case đến môi trường của tản nhiệt được thêm vào mô hình. Quy tắc là để dự phòng, bởi vì board thực tế, vỏ hộp và luồng không khí khác với các con số free-air trong datasheet, và linh kiện vừa vặn ở giới hạn trong datasheet sẽ quá nóng trong sản phẩm. Việc lựa chọn package là quyết định vật lý của thiết kế nhiệt, và phép tính cùng dự phòng là những gì giữ cho junction bên trong giới hạn của nó trong suốt vòng đời sản phẩm.

Các Dòng IC Ổn Áp Tuyến Tính: 78xx, LM317, LM1117 và IC Thay Thế Tương Thích

Các dòng IC ổn áp tuyến tính là vốn từ vựng cốt lõi để lựa chọn, và nắm vững chúng giúp việc thay thế và tìm nguồn cung trở nên dễ dàng. Dòng 78xx gồm 7805, 7812 và các biến thể khác là bộ điều chỉnh cố định dương cổ điển với điện áp rơi 2V, đóng gói TO-220, SO-8 và nhiều kiểu khác, với sơ đồ chân được tiêu chuẩn hóa hoàn toàn khiến các IC trong dòng này tương thích chân với nhau dù đến từ các nhà sản xuất khác nhau như LM7805, L7805, KA7805. LM317 là bộ điều chỉnh có thể điều chỉnh được, với điện áp đầu ra được thiết lập bằng hai điện trở, cũng được tiêu chuẩn hóa với cùng sơ đồ chân trong các đóng gói TO-220 và SO-8. LM1117 và AMS1117 thuộc dòng LDO, là các IC ổn áp tụt áp thấp 3.3V và 5V, có thể điều chỉnh từ mức dự phòng chỉ vài trăm millivolt, và chia sẻ sơ đồ chân mà thị trường áp dụng thống nhất qua các nhà cung cấp. Các dòng này tạo thành danh mục mà việc lựa chọn dựa vào, và tính tương thích chân giữa các nhà cung cấp là lý do khiến một linh kiện được chọn cũng đồng thời là một linh kiện có thể thay thế được.

Góc nhìn về thay thế đáng để làm rõ, bởi vì việc lựa chọn một IC ổn áp tuyến tính cũng chính là việc lựa chọn một linh kiện sẽ được tìm nguồn cung và cuối cùng sẽ được thay thế. Tính tương thích chân của dòng 78xx có nghĩa là một board được thiết kế với LM7805 có thể được cung cấp bởi L7805, KA7805, hoặc 7805 nội địa, trên cùng footprint và cùng kiểm tra, đây chính là ví dụ kinh điển về thay thế tương thích chân mà danh mục sản phẩm của trang web này kinh doanh. AMS1117 và LM1117 chia sẻ sơ đồ chân LDO, và dòng LM317 chia sẻ sơ đồ chân có thể điều chỉnh, vì vậy mỗi dòng được chọn sẽ mở ra thị trường thay thế của dòng đó. Phương pháp lựa chọn trong hướng dẫn này do đó kết thúc ngay tại điểm bắt đầu tìm nguồn cung, với dòng được chọn, tính tương thích chân, và các tùy chọn thay thế, và đó là lý do khiến IC ổn áp tuyến tính là một trong những linh kiện thân thiện nhất trong danh mục để cả lựa chọn lẫn thay thế. Các dòng là vốn từ vựng, và tính tương thích chân là ngữ pháp, và việc lựa chọn lẫn thay thế đều nói cùng một ngôn ngữ.

Cách Thay Thế Bộ Điều Chỉnh 78xx hoặc LDO một cách An Toàn

Thay thế bộ điều chỉnh 78xx hoặc LDO một cách an toàn là phương pháp tương thích chân được áp dụng cho dòng. Trước tiên, xác nhận package và sơ đồ chân, các biến thể TO-220, SO-8 và SOT-223 là các footprint khác nhau, và việc gán chân phải khớp với board. Thứ hai, xác nhận điện áp đầu ra và dòng điện, linh kiện thay thế 7805 phải là phần 5V được định mức cho tải, và linh kiện thay thế LDO phải khớp với đầu ra và dropout mà rail cần. Thứ ba, xác nhận dropout và nhiệt, bởi vì một linh kiện thay thế tuyến tính tiêu chuẩn cho rail LDO không thể điều chỉnh từ mức headroom chặt chẽ của LDO, và một linh kiện có package nhiệt kém hơn sẽ quá nóng ở dòng điện mà rail rút ra. Thứ tư, xác nhận dải đầu vào và bảo vệ, các thông số tuyệt đối tối đa và bảo vệ ngược phải khớp với điều kiện của board. Và thứ năm, kiểm tra linh kiện thay thế trên board, độ chính xác đầu ra, bước tải, và nhiệt trên toàn dải nhiệt độ, và ghi lại so sánh. Việc thay thế là phương pháp lựa chọn được chạy trên dòng, và tính kỷ luật là điều giữ cho một linh kiện thay thế tương thích chân hoạt động yên tĩnh, đây là tiêu chuẩn mà danh mục sản phẩm của trang web này áp dụng cho mọi linh kiện mà nó vận chuyển.

Nhiễu, PSRR, và Các Ứng Dụng Độ Chính Xác Cao

Ưu điểm nhiễu thấp của bộ ổn áp tuyến tính là lợi thế chính so với bộ ổn áp xung, và trong các ứng dụng độ chính xác cao và analog, chính lợi thế này quyết định việc lựa chọn. Nhiễu đầu ra của bộ ổn áp tuyến tính được chỉ định dưới dạng mật độ phổ và nhiễu tích phân tổng, và nó quan trọng đối với mạch tiền khuếch đại analog, đường tín hiệu âm thanh, thanh ray cảm biến và thanh ray tham chiếu, nơi nhiễu nguồn ghép nối vào tín hiệu. Tỷ số triệt nhiễu nguồn (PSRR) cho biết bộ ổn áp triệt giảm nhiễu và gợn sóng trên đầu vào tốt như thế nào, và nó quan trọng đối với các thanh ray được lấy từ nguồn nhiễu, thanh ray xung hoặc bộ chuyển đổi AC. Các ứng dụng độ chính xác cao chọn các linh kiện nhiễu thấp và PSRR cao, và việc lựa chọn dựa trên đường cong nhiễu và PSRR so với yêu cầu của tín hiệu thay vì chỉ số đơn lẻ trong datasheet. Nhiễu và PSRR là các thông số mà điện áp và dòng điện danh nghĩa không thể hiện đầy đủ, và chúng là lý do hai thanh ray có cùng đầu ra có thể chọn các linh kiện khác nhau.

Nhiễu và PSRR cũng kết nối việc lựa chọn với phần còn lại của board, bởi vì độ "sạch" của thanh ray là thuộc tính hệ thống chứ không phải thuộc tính linh kiện. Tụ điện đầu vào và tụ điện đầu ra định hình nhiễu và độ ổn định, việc bypass tải có ý nghĩa, và cách bố trí mass ghép nối hoặc cô lập nhiễu. Do đó, việc lựa chọn kết hợp linh kiện nhiễu thấp với mạch tách nhiễu và bố trí mà ứng dụng cần, và phần ứng dụng trong datasheet là hướng dẫn cho các giá trị tụ điện và cách bố trí. Thanh ray độ chính xác cao là một hệ thống, và việc lựa chọn là phần tử đầu tiên của hệ thống chứ không phải toàn bộ. Nhiễu và PSRR là lý do tồn tại của bộ ổn áp tuyến tính, và ứng dụng cần chúng chính là ứng dụng mà dòng tuyến tính, chứ không phải dòng xung, được chọn để phục vụ.

Cách đọc đường cong PSRR của bộ ổn áp tuyến tính

Đọc đường cong PSRR là đọc cách bộ ổn áp triệt nhiễu đầu vào trên toàn dải tần số, và đây là thông số mà thiết kế độ chính xác cao thực sự sử dụng. PSRR được vẽ dưới dạng độ triệt nhiễu tính bằng decibel theo tần số, cao ở tần số thấp, hàng chục decibel, và giảm dần khi tần số tăng, với đường cong được định hình bởi vòng điều khiển của bộ ổn áp và bù trừ nội bộ của nó. Thiết kế đọc PSRR tại các tần số mà nhiễu đầu vào tồn tại, tần số chuyển mạch của thanh ray trước đó, lưới điện và các sóng hài của nó, và nhiễu băng rộng, rồi so sánh độ triệt nhiễu tại các tần số đó với dung sai của tín hiệu. Một bộ ổn áp có PSRR cao ở tần số thấp nhưng đường cong giảm ở tần số cao sẽ triệt gợn sóng 100-hertz tốt nhưng triệt gợn sóng chuyển mạch megahertz kém, và thiết kế kết hợp nó với bộ lọc bao phủ các tần số mà nó triệt kém. Đường cong PSRR là công cụ lựa chọn độ chính xác cao, và đó là lý do thanh ray nhiễu thấp được chọn bằng đường cong thay vì chỉ số danh nghĩa.

Khi Nào Bộ Ổn Áp Xung Là Lựa Chọn Đúng

Bộ ổn áp tuyến tính và LDO có giới hạn của chúng, và bộ ổn áp xung là lựa chọn đúng khi giới hạn đó gây ra vấn đề. Chọn bộ ổn áp xung khi dòng điện cao, khi chênh lệch đầu vào-đầu ra lớn, hoặc khi hiệu suất và nhiệt quan trọng hơn nhiễu, bởi vì dòng tuyến tính tiêu tán phần dư thành nhiệt mà không có vỏ bọc nào có thể tản được, còn dòng xung chuyển đổi thành đầu ra với hiệu suất 80-95 phần trăm. Chọn bộ ổn áp xung khi thanh ray phải giảm từ bus cao, thanh ray 24-volt hoặc 48-volt, xuống thanh ray logic thấp, nơi lãng phí tuyến tính sẽ thảm khốc. Chọn bộ ổn áp xung khi ngân sách nhiệt của board đã được sử dụng hết, và khi tuổi thọ pin phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi thay vì dòng tĩnh. Bộ ổn áp xung đánh đổi hiệu suất bằng nhiễu, gợn sóng, EMI, chi phí và cẩn thận trong bố trí, và thiết kế cần hiệu suất thì chấp nhận chi phí. Việc lựa chọn giữa dòng tuyến tính và dòng xung là lựa chọn giữa thanh ray sạch và đơn giản với thanh ray hiệu quả, và các con số quyết định ứng dụng có thể chấp nhận cái nào.

Lựa chọn xung cũng tôn trọng các thiết kế lai, bởi vì hai dòng linh kiện hoạt động cùng nhau chứ không loại trừ lẫn nhau. Một board sử dụng bộ ổn áp xung để giảm bus cao xuống thanh ray trung gian và bộ ổn áp tuyến tính hoặc LDO để làm sạch thanh ray đó cho tải analog và tải nhạy cảm sẽ có được hiệu suất của xung và độ nhiễu thấp của tuyến tính trong cùng một thiết kế, và cascade là một trong những kiến trúc nguồn phổ biến nhất trong điện tử. Cascade đọc gợn sóng xung tại PSRR của bộ tuyến tính, và chọn bộ tuyến tính hoặc LDO có độ triệt bao phủ tần số của bộ xung. Do đó, phương pháp lựa chọn chọn dòng linh kiện cho từng thanh ray, bộ xung cho bước công suất cao và bộ tuyến tính cho thanh ray sạch, và cascade là hệ thống mà hai dòng linh kiện cùng tạo ra. Hướng dẫn lựa chọn bộ ổn áp tuyến tính là một nửa của thiết kế nguồn, và lựa chọn xung là nửa còn lại, và hai nửa gặp nhau trong cascade.

Ví dụ Thực tế: Chọn Thanh Ray cho Bo mạch Điều khiển Công nghiệp

Việc chọn một thanh ray cho bo mạch điều khiển công nghiệp là ví dụ thực tế minh họa toàn bộ quy trình lựa chọn trên một thiết kế thực tế, và trường hợp này là một bo mạch chạy từ nguồn công nghiệp 24-volt và cần một thanh ray logic 5-volt và một thanh ray 3.3-volt ổn định cho phần analog. Thanh ray đầu tiên, logic 5-volt, được tạo ra từ bus 24-volt thông qua bộ điều chỉnh chuyển mạch, bởi vì sụt áp 19-volt ở dòng logic sẽ tiêu tán công suất mà không có package tuyến tính nào có thể tản nhiệt được, và bộ điều chỉnh chuyển mạch giảm 24 volt xuống thanh ray trung gian 5-volt với hiệu suất loại 80 phần trăm. Thanh ray thứ hai, thanh ray ổn định 3.3-volt, được tạo ra từ thanh ray trung gian 5-volt thông qua LDO, bởi vì sụt áp 1.7-volt ở dòng analog là công suất nhỏ mà LDO có thể tản nhiệt, và dropout thấp cùng nhiễu thấp của LDO cung cấp cho phần analog nguồn điện ổn định mà thanh ray chuyển mạch không thể mang lại. Lựa chọn đọc họ linh kiện theo từng thanh ray, bộ điều chỉnh chuyển mạch cho bước sụt áp cao và dòng cao, và LDO cho bước sụt áp thấp ổn định, và cascade là kiến trúc mà phần chuyển mạch đã mô tả. Ví dụ thực tế minh họa việc lựa chọn như một quyết định theo từng thanh ray, và đó là quyết định mà quy trình làm việc formalizes.

Ví dụ thực tế cũng đọc các kiểm tra mà bo mạch công nghiệp bổ sung, bởi vì môi trường công nghiệp thay đổi trọng số của lựa chọn. Transient của bus 24-volt và các điều kiện ngược đọc bảo vệ đầu vào, tụ đầu vào và TVS mà datasheet khuyến nghị, và dải nhiệt độ, môi trường công nghiệp, đọc tính toán nhiệt ở trường hợp xấu nhất thay vì ở bench. Độ chính xác của phần analog đọc nhiễu và PSRR của LDO, và thanh ray của phần digital đọc độ dung sai và tải. Bo mạch công nghiệp là mô hình của trọng số thực tế của lựa chọn, và đó là mô hình mà quy trình làm việc và checklist của phần tiếp theo biến thành một quy trình, đó là hoàn thiện thực tế của hướng dẫn lựa chọn bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính.

Quy Trình làm Việc để Chọn Bộ Điều chỉnh Điện áp Tuyến tính

Phương pháp lựa chọn đầy đủ phù hợp với một quy trình làm việc mà kỹ sư chạy theo cùng thứ tự. Đầu tiên, đặt các yêu cầu của thanh ray, điện áp đầu ra, dòng điện trường hợp xấu nhất, dải đầu vào và sag của nó, độ dung sai, nhiễu, và ngân sách nhiệt. Thứ hai, chọn họ linh kiện, bộ điều chỉnh tuyến tính cho thanh ray dòng nhỏ, dropout thấp và nhạy cảm với nhiễu, LDO cho thanh ray headroom chặt chẽ, và bộ điều chỉnh chuyển mạch cho thanh ray dòng cao và sụt áp lớn, và ghi lại lựa chọn. Thứ ba, đọc các thông số kỹ thuật, dropout, dòng tĩnh, điều chỉnh, nhiễu, PSRR, và bảo vệ, đối chiếu với các yêu cầu của thanh ray. Thứ tư, tính toán nhiệt, công suất tiêu tán ở trường hợp xấu nhất, nhiệt độ junction, và package tản nhiệt, và chọn package và heatsink. Thứ năm, chọn linh kiện từ họ, loại cố định hoặc có thể điều chỉnh, package, và nhà cung cấp, và xác nhận tương thích chân và các phương án thay thế cho việc tìm nguồn cung. Thứ sáu, xác minh trên bo mạch, độ chính xác đầu ra, đáp ứng tải, transient, nhiễu, và nhiệt trên toàn dải nhiệt độ, và ghi lại các phép đo. Trình tự đó là phương pháp lựa chọn bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính, và đó là phương pháp giống nhau cho dù thanh ray là thanh ray logic 3.3-volt hay thanh ray analog 5-volt.

Quy trình làm việc là lý do tại sao một thanh ray điện áp được chọn dựa trên bằng chứng thay vì thói quen. Với các yêu cầu đã đặt, thanh ray được định nghĩa. Với họ linh kiện đã chọn, sự đánh đổi trở nên rõ ràng. Với các thông số kỹ thuật đã đọc, linh kiện phù hợp với thiết kế. Và với nhiệt đã tính toán và linh kiện đã xác minh, thanh ray tồn tại qua vòng đời sản phẩm. Toàn bộ giá trị của phương pháp là bộ điều chỉnh tuyến tính, linh kiện nguồn đơn giản nhất trên bo mạch, được chọn với cùng sự cẩn thận như linh kiện phức tạp nhất, bởi vì nhiệt đơn giản của nó và dropout và nhiễu của nó mang theo độ tin cậy của thanh ray, và kỷ luật của lựa chọn là điều giữ cho bo mạch tiếp tục chạy. Một kỹ sư chạy quy trình làm việc này chọn một bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính với lựa chọn họ linh kiện, đọc thông số kỹ thuật, và tính toán nhiệt, đó là toàn bộ mục đích của việc lựa chọn bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính được thực hiện tốt.